陶瓷太阳能集热系统在北方农村冬季采暖中的应用★

秦 旖

(山西省建筑科学研究院，山西 太原 030001)



·绿色环保·建筑节能·

陶瓷太阳能集热系统在北方农村冬季采暖中的应用★

秦 旖

(山西省建筑科学研究院，山西 太原 030001)

结合工程实例，介绍了陶瓷太阳能采暖系统的构造及运行原理，分析了采用该系统采暖后房屋室内温度的变化情况，指出陶瓷太阳能集热系统可有效调控农村独立住宅温度，承担采暖中的大部分冷负荷。

陶瓷太阳能集热器，采暖，农村，室内温度

0 引言

随着“城乡一体化”步伐加快，农村经济取得突飞猛进的发展。伴随着农民生活质量的提高，农民对房屋的热舒适性需求也逐步提高。然而，受村落分布不集中因素影响，集中供暖的形式难以在农村中开展，农村冬季采暖问题漏洞百出。目前，农村冬季采暖主要选取燃煤方式，或是辅以秸秆、柴草、电、气等能源的独立取暖[1]，这些方式存在资源燃烧带来的大气污染、能源浪费等问题。因此，寻求节能、高效、环保的农村采暖技术势在必行。

太阳能作为清洁能源，“取之不尽、用之不竭”，一直以来都是国内外学者研究的热点。太阳能集热器可以实现太阳能向热能的转化：集热器内的水吸收太阳能后升温来对采暖设备加热或提供生活用热水。目前太阳能集热器种类按材质不同可分为真空管集热器、平板集热器、陶瓷集热器、塑料集热器等。其中，陶瓷太阳能集热器因集热率高、寿命长、价格低、安装方便等优势成为建筑加装太阳能系统的最好选择之一[2]。本文以山西省太原市晋源区某一农村居民独立建筑中的陶瓷太阳能集热系统为例，采用实测室内温度变化的方法，用以分析陶瓷太阳能集热系统在北方农村冬季采暖中的应用。

1 陶瓷太阳能集热系统

1.1 系统构造

陶瓷太阳能集热系统由集热器、集热水箱、控制柜、循环泵系统、末端采暖设备、辅助热源等构成。其中，陶瓷太阳能板以普通陶瓷为基底，在向阳面浇筑工业废弃物生成的钒钛黑瓷,太阳能吸收率高达0.95。陶瓷太阳能板坡向屋面设置，与建筑物屋面形成一体：陶瓷太阳能板与其下覆盖的玻璃棉对建筑物起到了保温的作用；同时，陶瓷太阳能板上方的钢化玻璃在保护太阳能板的同时又充当了建筑物的防水层。

图1为陶瓷太阳能采暖系统构造图。

1.2 系统运行原理

在集热水箱底部出口处和陶瓷太阳能板出水口处分别设置温度传感器：当太阳能板出水口处温度(T1)与集热水箱底部出口处温度(T2)差值(T1-T2)高于设定温度(5 ℃)时，循环水泵开启，集热器内吸收太阳能升温后的热水进入集热水箱内与水箱内的冷水进行热交换，同时定温水位电磁阀开启向集热器内补充自来水；当温度差值(T1-T2)低于设定温度(5 ℃)时，循环水泵与定温水位电磁阀关闭。随着集热水箱与集热器内冷热水的不断换热，集热水箱内的水温度持续升高。当集热水箱内的温度达到末端采暖设备供热所需温度时，水泵开启，集热水箱内的热水进入末端采暖设备用于房间供热。当集热水箱内的水位低于设定值时，补水电磁阀开启向水箱中补充自来水至达到设定水位停止补水。其中，辅助热源用以满足冬季阴雪天的供热需求。

2 工程实例

2.1 工程概况

本次陶瓷太阳能集热采暖测试系统选取在山西省太原市晋源区某一农村居民独立建筑中。该独立建筑为单层建筑，坐北朝南，建筑面积82.61 m2。在屋顶沿屋面倾角敷设陶瓷太阳能集热板：集热板规格选取710×710×26,分4排9列敷设，共计敷设36块；集热板连接选取串并联方式，敷设倾角22°。在室内安置采暖系统中的集热水箱，水箱容量选取1.5 t。末端采暖方式选取辐射地板供暖。

集热器敷设效果图如图2所示。

2.2 参数选取

1)集热板面积选取。

参照文献[3]，选取计算用采暖期室外平均温度-1.1 ℃，计算用室内平均温度18 ℃，计算用采暖期天数127 d。利用PKPM采暖居住建筑能效测评软件计算得该独立建筑在采暖期内建筑耗热量指标为31.16 W/m2。因此，满足冬季供暖负荷所需的陶瓷太阳能板面积可用式(1)[4]计算：

(1)

其中，q为日平均釆暖负荷,取31.16 W/m2；A0为建筑面积，取82.61 m2；f为太阳能保证率,取0.1～0.3；JT为太原市集热器安装的平均日太阳能辐照量,取16.89 MJ/m2；ηcd为系统使用期的平均集热效率，取0.25～0.5；ηL为管道及集热水箱热损失率，取0.2～0.3。

由式(1)计算得，为满足冬季室内的供热负荷，陶瓷太阳能板的计算面积为14.5 m2。实际工程中屋顶敷设陶瓷太阳能集热板面积18.2 m2，因此，实际工程中使用的陶瓷太阳能集热系统可以很好地满足房屋的供热需求。

2)集热水箱的选取。

在进行集热水箱容积的确定时，对于短期蓄热的太阳能供热采暖系统，集热器对应的水箱容积选取80 L/m2[5],则18.2 m2集热板面积对应的水箱容积为1.46 t。因此，本次陶瓷太阳能集热系统中集热水箱容积选取为1.5 t。

2.3 系统运行

陶瓷太阳能集热采暖系统运行时间为2015年11月1日～2016年3月1日：设定集热系统每日早晨9:00开始集热器和集热水箱内的水循环，至下午16:00循环结束；地暖采取间歇供暖方式，集热水箱从15:00开始向地暖供水直至次日10:00供水结束。阴雪天时，开启电加热设备用于地暖供热。同时，在室内、室外分别安置温度探头用以监测室内外空气温度的实时变化。

3 结果分析

在采用陶瓷太阳能集热采暖系统为独立建筑供暖时，由于供暖期较长，温度探头获取得到的室内外空气温度数据较多，故选取系统供暖时最冷日(晴天)1月18日室内外空气逐时温度数据和最冷月份1月份的室内外空气平均温度数据进行分析，如图3，图4所示。其中，1月1日～1月11日、1月16日～1月22日、1月30日为晴天，余下时间为阴雪天。

图3为1月18日室内、室外空气温度日变化。

由图3分析可得，在采用陶瓷太阳能集热采暖系统为独立建筑供暖后，室内外空气温度变化趋势基本一致：室外温度波动范围-11 ℃～3.5 ℃，供暖后，室内温度波动范围14 ℃～16.4 ℃。可以看出，采用陶瓷太阳能集热系统进行供暖，可以有效地承担农村独立住宅中的大部分冷负荷。供暖后的室内温度略低于设计标准温度18 ℃，但仍可以满足居住热需求。

图4为1月份室内、室外空气平均温度变化。

由图4分析可以得知，2015年1月份室外平均温度波动范围

-6.5 ℃～0 ℃，在采用陶瓷太阳能集热采暖系统为独立建筑供暖后，室内温度波动范围14 ℃～19 ℃，符合农村住宅采暖需求[6]。因此，在北方农村地区使用陶瓷太阳能集热系统供暖是有效的。

4 结语

本文从实际工程出发，对陶瓷太阳能集热系统在北方农村冬季采暖中的应用进行分析，得出以下结论：

1)陶瓷太阳能集热采暖系统可以有效地利用太阳能来对建筑物进行供热。在使用该供热系统后，最冷月室内温度可以保持在14 ℃～16.4 ℃范围内波动，符合农村住宅采暖需求。

2)采用陶瓷太阳能集热采暖系统为农村独立建筑供暖时，地暖的运行方式选取为间歇运行就可以较好地满足室内热需求。

3)在阴雪天时，需要辅以电加热的方式来对地暖进行加热来满足供暖需求。

[1] 张 强.以城乡一体化思路解决农村供暖问题[J].北京农业职业学院学报，2012,26(6):3-5.

[2] 潘 晋，孟 阳.我国北方农村太阳能采暖研究[J].建设科技，2015(6):76-78.

[3] GB J26—2010，严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准[S].

[4] 潘 晋.青岛某新农村供热系统集成技术研究[D].济南：山东建筑大学硕士学位论文，2015.

[5] GB 50495—2009，太阳能供热釆暖工程技术规范[S].

[6] 刘 鸣，陈 滨，张宝刚，等.北方地区低能耗自循环农村住宅实践性能分析[J].建设技术，2012,43(7):611-614.

Application of ceramic solar water heating system in the rural north of the winter heating★

Qin Yi

(ShanxiAcademyofBuildingResearch，Taiyuan030001,China)

Combining with engineering examples, it introduces the structures and operation principles of ceramic solar energy heating system, through the analysis of the indoor temperature changes after using ceramic solar water heating system, it is concluded that the ceramic solar water heating system can control the temperature of independent rural housing effectively, bearing the most of the cooling load of the heating.

ceramic solar water heating system, heating, rural, indoor temperature

1009-6825(2016)20-0193-02

2016-05-09★:山西省农村建筑节能关键技术合作研究(中欧合作项目)(项目编号：2013DFE63170)

秦 旖(1991- ),女，硕士

TU832.17

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